中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路

简要分析我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状,包括水下盾构隧道、地铁盾构、TBM隧道和山岭TBM隧道的技术现状。通过列举典型工程案例,分析总结我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题:1)水底公路隧道盾构直径过大,2)单层管片衬砌的耐久性不足,3)护盾式TBM有很多局限性,4)土压平衡盾构不是万能的,5)隧道线路标高选择不合理,6)工程建设中存在4大不合理。针对这些问题提出解决建议:1)一般情况下,水底公路隧道盾构直径不宜超过12 m;2)增设二次模筑混凝土衬砌,形成复合衬砌结构;3)取消护盾式TBM,提倡采用开敞式TBM;4)盾构选型时,应同时考虑比选泥水盾构、土压盾构和开敞式无刀盘盾构;5)避开在岩层交界面上选线;6)工程建设一定要坚持科学发展观。为盾构、掘进机隧道的设计和施工提出新思路,包括:1)无刀盘的开敞式网格盾构,2)压缩混凝土衬砌,3)TBM导洞超前再钻爆法扩挖,4)风井始发盾构。最后,指出大直径盾构不是发展方向,长距离掘进(2 km)时,深埋盾构施工才是发展方向;并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工(深埋优于浅埋),渤海湾海峡海底隧道采用直径为10 m的TBM+钻爆法施工,台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式TBM+钻爆法施工的想法。     

双护盾TBM在青岛地铁的适应性研究

为了解决复杂硬岩地质条件下城市地铁隧道能够安全、快速地开挖建设,以青岛地铁2号线双护盾TBM施工为研究对象,通过对TBM掘进过程中施工数据的控制和分析,得出双护盾TBM可良好适应于青岛地铁隧道施工掘进。通过施工实践,针对小半径曲线隧道和破碎围岩条件下的双护盾TBM掘进作业提出了施工对策和建议。     

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩（节理密集带）、Ⅴ级围岩（蚀变岩）存在初期支护侵限的风险。提出如下建议： 1）设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量; 2）在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。     

高黎贡山隧道高适应性TBM设计探讨

为了应对高黎贡山隧道“三高四活跃”的特殊地质条件,研制高适应性TBM迫在眉睫。通过对高黎贡山隧道TBM施工段地质特征的勘察,总结了高黎贡山隧道的主要不良地质条件,分析了TBM施工存在的软弱破碎和大变形围岩洞段TBM卡机、高地应力掌子面与护盾后方岩爆、围岩收敛挤压变形支护破坏、高压突涌水和高温热害等方面的施工风险。提出高适应性TBM的针对性设计方案,包括TBM支护系统设计、刀盘刀具设计、应对涌水设计、应对高地热设计以及其他适应性设计的初步方案。研究结果可为高黎贡山隧道高适应性TBM的设计选型和制造提供参考。     

小直径双护盾TBM超前化学灌浆脱困施工技术

为快速解决小直径双护盾TBM刀盘卡机问题,结合引红济石输水工程引水隧洞实际施工情况,介绍了聚氨酯类（PUR）和硅酸盐改性聚氨酯类（Silicate Modified PUR）新型化学灌浆材料的应用技术。通过在刀盘内超前钻孔、在孔口混合和高压力灌浆实施双组分化学浆液,快速实现了加固坍塌体、软弱破碎岩层及有效脱困,体现了这种处理办法操作简单、耗时短、应用可靠的特点,TBM实现了快速脱困,大大节约了时间成本。结合工程应用实际提出了合理选择超前加固方法、预判围岩条件及卡机风险和采用聚氨脂类化学灌浆材料处理TBM卡机问题时,应根据围岩条件因地制宜调整材料的性能以达到经济实用的目的。     

高黎贡山平导隧道TBM护盾延伸技术

大瑞铁路高黎贡山平导隧道TBM在掘进过程中遭遇断层破碎带地层,发生3次较严重的卡机事故。为降低施工风险,加快施工进度,节约施工成本,采用调研、工程对比与专家论证的方法,分析刀盘被卡的原因,研究护盾延伸的必要性与可行性,制定护盾延伸方案,即将护盾与刀盘的间距由原来的360 mm缩减为50 mm。实践表明： 护盾延伸改造效果明显,在Ⅳ、Ⅴ级围岩实际占比达到67%的情况下,继续掘进近1 500 m,未再发生卡机事故,大大提高了TBM的掘进效率。     

复杂地质条件TBM研制关键技术及应用

为解决高黎贡山隧道出口段软岩收敛卡机、破碎坍塌、岩爆片帮、高温热害、突泥涌水等不良地质TBM适应性差的问题,采用TBM适应性设计方法,提出并采用变截面抬升式开挖、水岩一体超前预报、隐藏式常态化超前钻探、前置式自动化湿喷、加强型大范围初期支护、通风系统强制制冷、刀盘刀具优化设计、物料快速运输等关键技术方案,联合研制出国产最大直径TBM（9.03 m）; 针对现场应用测试存在的部分问题,对TBM创新设计方案进行优化改进,使国产最大直径TBM在复杂地层前期应用中,取得月进尺400 m以上的掘进业绩。     

基于S7-400H的 EPB盾构盾尾密封系统软件设计

利用S7-400H PLC冗余系统平台开发、设计土压平衡（EPB）盾构控制系统软件,能够进一步提高系统的容错能力;对盾尾密封系统的控制及使能条件的关联进行分析、总结,给施工过程中盾构操作及维修人员以指导;对盾尾密封系统的控制流程进行分析,给盾构控制系统软件设计人员以帮助。     

长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势

目前我国所使用的TBM以开敞式为主,通常情况下,隧道掘进之后需要施作初期支护以及二次模筑混凝土衬砌,隧道施工总工期较长。为了解决开敞式TBM不能同步施作现浇混凝土二次衬砌的难题,结合南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道工程实例,研发了有轨运输出渣（开挖直径88 m）和连续皮带机出渣（开挖直径1023 m）2种工况条件、2种断面下的开敞式TBM同步衬砌施工技术,并成功应用。探讨了该技术的应用前景及发展趋势,指出： 该技术具有重大的推广意义和广阔的应用前景,下一步需要深入地、系统地研究不同工况、不同断面条件、不同作业范围的同步衬砌施工技术,如小断面同步衬砌、现浇混凝土仰拱同步衬砌、全断面同步衬砌等施工技术,使之形成系列工法,推动我国长大隧道TBM施工技术的全面发展。     

意大利Sparvo隧道超大断面盾构施工关键技术

意大利Sparvo隧道采用直径为1555 m、开挖断面达到15615 m的土压平衡盾构进行掘进施工,是当时世界上最大直径的盾构法隧道工程之一,其施工风险高、技术难度大为业界所公认。扼要介绍意大利Sparvo隧道工程所采用的一些关键技术： 1）盾构装备的选型; 2）衬砌管片的设计与生产,包括混凝土配合比设计、配筋设计与调整、管片接头、管片止水带以及管片预制厂情况; 3）超大断面盾构隧道掘进施工关键技术,包括土体改良、易燃易爆混合气体的对策和盾构原地掉头。这些技术较好地解决了该隧道施工中出现的诸多难题,可为今后同类工程提供借鉴与参考。     

水下隧道工程实践面临的挑战、对策及思考

首先介绍钻爆法、TBM/盾构法以及沉管法3种主要水下隧道建设方法的优点及不足,进而从地质条件、水流速度、水面交通、隧道埋深、通行车道数量、渗漏情况、工程总量、施工工期、施工安全、工程造价等方面对3种修建方法进行对比分析。最后重点分析当前水下隧道工程建设过程中存在的主要挑战与相应对策,主要包括:沉管法施工中河床冲刷、管段局部高出河床、埋深增大的挑战及对策,盾构穿越浅覆土层、刀盘刀具磨损、埋深提高、轴承损坏及盾构通过断层和破碎地层施工中的挑战与对策。     

盾构机掘进热平衡问题的分析与计算

根据广州地铁2号线使用过6250直径的土压平衡盾构机的温度测试数据,以及盾构机的有关技术参数,进行了热平衡的浅算。试图对使用盾构机的地铁隧道散热过程做一些粗浅的描述,供盾构机使用者参考,并在使用中注意这些问题。     

无刀盘土压平衡盾构概念性设计

为解决传统土压平衡盾构刀具切削效率低、磨损不均匀、刀盘转动惯量大及开挖异形断面困难等不足,创新设计一种具有土压平衡功能的无刀盘盾构。该盾构具有切削效率高、刀具寿命均衡、无需滚动纠偏、对隧道断面形状适应性强等特点。针对这种新机型的功能特点,从结构方面进行概念性设计。     

复合地层土压平衡盾构掘进参数模拟分析研究

复合地层特别是软硬交互地层的盾构掘进参数模拟与预测理论及方法研究,目前还处于薄弱阶段。基于Terzaghi松动土压力模型与CSM(科罗拉多矿业学院)模型,对广州地铁3号线大石—汉溪区间不同风化程度混合岩地层的土压平衡盾构掘进表现分别进行模拟分析,结果基本符合实际的掘进表现,但在贯入度大于20 mm/r的硬岩掘进情况下推力及扭矩模拟值与实际值存在较大正负差异。针对这种正负差异情况,分析可能产生的原因。通过对软硬交互复合地层的盾构受力分析,模拟计算在软硬地层各占50%情况下的推力与扭矩值,结果表明,总推力和扭矩的模拟值均在实际值范围内,验证了采用的综合考虑软土和硬岩模拟分析结果的复合地层掘进参数模拟分析方法的有效性。     

双线地铁隧道泥水及土压平衡盾构施工地层变形特征研究

为分析圆砾地层双线地铁隧道分别采用泥水和土压平衡盾构施工时的地层变形特征，以南宁地铁3号线东葛路站-滨湖路站区间盾构施工工程为背景，采用现场监测数据分析2种盾构施工时的地表横向沉降特征和监测点纵向沉降历程特征。利用FLAC3D软件对2种盾构工法进行简化模拟，验证模拟方法的可行性； 设计双线地铁隧道分别采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构、全部采用泥水平衡盾构、全部采用土压平衡盾构3种工况的模拟方案，研究3种工况下的地层变形特征。研究结果表明： 1)双线地铁隧道采用2种类型盾构施工时，地层沉降曲线偏向土压平衡盾构施工的隧道一侧； 采用同种类型盾构施工时，地层距离隧道越近，沉降曲线呈“W”特征越明显； 2)双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时各地层沉降较大，地表横向沉降影响范围约50 m； 采用泥水平衡盾构施工时各地层沉降相对较小，地表横向沉降影响范围约30 m； 3)3种工况下，双线地铁隧道采用土压平衡盾构施工时引起的地表水平位移最大。     

地铁砂卵石地层采用加泥式土压平衡盾构机的设备配置及顶推力检算

盾构设备配置是否合理是关系到工程建设成败、工程进度、工程投资的重要因素。在成都砂卵石地层中建设地铁,要求盾构设备能够实现砂卵石地层的长距离掘进、大漂石和卵石的破碎以及防止喷涌的发生。根据这些要求,阐述了某加泥式土压平衡盾构机的基本设备参数,并对其功能进行了分析,同时对设备配置中的顶推力参数进行了示例性检算。     

引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究

为应对吉林引松供水4标7 km灰岩隧洞段的特殊地质条件,引松开敞式TBM的针对性设计和克服不良地质风险的施工技术研究显得尤为重要。首先,针对引松4标长距离掘进、大断面施工、快速掘进及强支护量等工程特点,对TBM进行超前地质预报系统、支护系统等方面的针对性设计制造。其次,对于通过灰岩地段各种不良的地质风险,分别制定相应的施工和处理措施。通过对TBM的针对性设计以及不良地质地段恰当的施工处理措施,使TBM顺利地通过了7 km灰岩地段,既节省了开支,又缩短了工期。     

新街台格庙矿区斜井隧道双模式盾构关键掘进参数配置研究

为了解决盾构关键掘进参数的合理配置问题,实现盾构在不同地层条件下安全、快速、高效掘进,以新街矿区斜井隧道工程为依托,在研究斜井隧道工程地质条件的基础上,提出了双模盾构掘进参数配置的原则;分析计算双模式盾构在2种掘进模式下的最大切深、土舱压力以及盾构推力、刀盘扭矩等关键掘进参数,确定了在EPB模式和单护盾TBM模式下的最大切深分别为28r/min和19 r/min,并提出了在6个地质区间下双模盾构关键掘进参数的配置建议。